基于序列自相關(guān)的信道估計與均衡算法FPGA實現(xiàn)

丁永強，馬林華，茹 樂，孫康寧,周慧玲

(1. 空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，陜西 西安 710038；2. 空軍第一航空學(xué)院，河南 信陽 464000;3.中國人民解放軍95746部隊，四川 成都 611531)

基于序列自相關(guān)的信道估計與均衡算法FPGA實現(xiàn)

丁永強1,2，馬林華1，茹 樂1，孫康寧1,周慧玲3

(1. 空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，陜西 西安 710038；2. 空軍第一航空學(xué)院，河南 信陽 464000;3.中國人民解放軍95746部隊，四川 成都 611531)

針對傳統(tǒng)的單載波頻域均衡算法存在的受信道隨機噪聲影響較大的缺點，利用序列自相關(guān)性進行信道估計，有效解決了隨機噪聲對信道均衡的影響問題，并結(jié)合工程實際，在該信道估計算法的基礎(chǔ)上，對頻域均衡的實現(xiàn)進行了適應(yīng)性改進。選用Altera公司的EP3C120F484芯片實現(xiàn)了該算法，設(shè)計了頻域均衡系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)方案。經(jīng)驗證，該算法能同時適應(yīng)多徑和噪聲干擾嚴重的復(fù)雜信道。

信道估計；頻域均衡；自相關(guān)；FPGA

1 頻域均衡

對于同樣的信道環(huán)境，當符號寬度小于最大多徑時延時，接收信號往往發(fā)生了時延擴展和畸變。若只發(fā)送一個碼元脈沖，接收信號可能是一串脈沖。這些增加的脈沖一旦落入下一抽樣時刻，就會形成嚴重的碼間干擾(Inter Symbol Interference， ISI)。消除碼間干擾的一個辦法是均衡，均衡技術(shù)的基本思想是認為信道參數(shù)在發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的時間內(nèi)是不變的。

頻域均衡的最早提出是在二十世紀七八十年代[1-2]，真正對其展開研究是在九十年代后期。文獻[3-5]提出了采用FFT和添加循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，CP)來實現(xiàn)頻域均衡的方法，由于頻域均衡很大部分的運算量集中在時頻變換上，采用FFT大大簡化了頻域均衡的復(fù)雜度；添加CP一方面可以吸收前面數(shù)據(jù)幀的干擾，另一方面使信道響應(yīng)滿足循環(huán)卷積特性。最近十多年來，設(shè)計快速收斂的自適應(yīng)濾波實時修正算法已成為重要的研究課題。在接收信號總的頻譜形狀已知的情況下，正交LMS算法能夠在部分響應(yīng)系統(tǒng)中達到快速收斂；當干擾信號和輸入信號或信道特性都不能控制時，一般要采用可快速跟蹤的遞歸最小二乘RLS算法。這些改進的算法統(tǒng)稱為LMS類算法和RLS類算法，但均有唯一的共通之處。即這些算法的實現(xiàn)都需要進行可靠的信道估計。文獻[6-7]中介紹了幾種無線信道的均衡技術(shù)，然而，一旦信道中有深衰落，信道估計值就會出現(xiàn)較深的凹陷，得到的均衡參數(shù)就會發(fā)生極大的變化。

針對此問題，本文從理論上分析了利用m序列自相關(guān)特性進行頻域均衡的原理，并針對工程應(yīng)用，對一種基于序列自相關(guān)特性進行頻域均衡的方法進行了改進，設(shè)計了頻域均衡系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)方案。

2 基于序列自相關(guān)特性的信道估計原理

設(shè)信道的沖激響應(yīng)函數(shù)為h(t)(t≥0)，若輸入X(t)(-∞

(1)

傅里葉變換得

SXY(ω)=SX(ω)H(iω)

(2)

若X(t)為一白噪聲信號，那么RX(τ)=S0δ(τ)(S0為大于0的常數(shù))，做傅里葉變換得SX(ω)=S0，那么，SXY(ω)=S0H(iω)。

(3)

(4)

由上述推導(dǎo)可得出結(jié)論：如果將一個白噪聲輸入信道，計算得到與輸出信號的互相關(guān)函數(shù)RXY(τ)，那么就能夠獲得信道的沖激響應(yīng)函數(shù)和傳輸函數(shù)。但白噪聲不能通過實驗重復(fù)得到。偽隨機序列(PseudorandomNoise，PN)具有與白噪聲類似的自相關(guān)特性，其自相關(guān)值只有兩種取值。尖銳的自相關(guān)特性使得偽隨機序列能夠攜帶信道信息，因此可用于信道估計與均衡[8-9]。

作為一種有著嚴格數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的序列，偽隨機序列具有其他序列不具備的特性和優(yōu)點。偽隨機碼各碼組之間的相關(guān)性很弱，受到干擾后不容易互相混淆，因而具有較強的抗干擾能力。利用偽隨機序列的這一特點，可以解決傳統(tǒng)頻域均衡算法受噪聲影響較大的問題。

3 信道估計與均衡算法的工程化改進

TDS-OFDM中采用的基于序列自相關(guān)性的頻域均衡算法可以解決傳統(tǒng)的頻域均衡算法存在的受噪聲干擾影響大的問題。由于在算法中使用了迭代方法進行干擾濾除，這種算法運算量大。為了工程實現(xiàn)的需要，將該算法進行以下適應(yīng)性改進。一方面，為了使系統(tǒng)具有更強的抗碼間干擾的能力，為幀體增加了循環(huán)前綴；另一方面，為了減小運算量，在對自相關(guān)值進行干擾濾除時，使用了門限比較的方式。

3.1 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

單載波傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單載波系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)

這種數(shù)據(jù)幀由兩部分組成，即幀頭和幀體。幀體是要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，而幀頭既可能是循環(huán)前綴，也可能是某種獨特字。獨特字可以參與信道估計，即具有消除碼間干擾的能力。循環(huán)前綴的作用在于吸收前幀數(shù)據(jù)的多徑時延，同樣具有一定的抗碼間干擾的能力。為使新的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)具有較強的抗碼間干擾的能力，將單載波通信系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)重新設(shè)計。當CP的持續(xù)時間大于無線信道的最大時延擴展時，可以完全消除碼間干擾。因此，將幀結(jié)構(gòu)進行類似改進，為幀體增加循環(huán)前綴。如圖2所示。

圖2 改進后的幀結(jié)構(gòu)

這種幀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于數(shù)據(jù)受到了雙重保護，即在多徑信道中，CP和幀頭能同時起到抵抗碼間干擾的作用。一方面，CP從結(jié)構(gòu)上就能消除一部分碼間干擾。另一方面，利用幀頭數(shù)據(jù)還能對接收數(shù)據(jù)進行均衡處理。

3.2 均衡算法設(shè)計

改進后算法的實現(xiàn)步驟如下：

1)用接收數(shù)據(jù)和本地PN序列進行自相關(guān)運算。

2)找出自相關(guān)值中的最大值，作為主徑的相關(guān)峰。

3)干擾消除。相關(guān)值中有很多小值的數(shù)據(jù)，這一方面是本地PN序列與接收信號中的多徑信號和噪聲進行相關(guān)運算的相關(guān)值，另一方面是PN序列的相關(guān)峰值。由于本地PN序列與噪聲不相關(guān)，因此在輸出相關(guān)結(jié)果作為初步信道沖激響應(yīng)(Channel Impulse Response，CIR)估計前設(shè)置適當?shù)拈T限，把低于門限值的相關(guān)結(jié)果清零來減小這些較小值的影響。

4)抽樣、移位、填零重新構(gòu)造相關(guān)值，得到數(shù)據(jù)塊長度的信道估計h。重新構(gòu)造相關(guān)值的目的是為了使得到的信道沖激響應(yīng)是因果系統(tǒng)的。因此，將主徑的相關(guān)值放置在開頭，前徑的相關(guān)值放置在末尾處。中間段數(shù)據(jù)可以用0進行填充。即得到信道估計h。

4 實現(xiàn)方案

本文以FPGA平臺為載體，采用改進的頻域均衡算法，借鑒軟件無線電的設(shè)計理念，完成整個單載波頻域均衡系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)，用于復(fù)雜環(huán)境下寬帶圖像的無線傳輸，并給出實際的測試結(jié)果。

4.1 硬件實現(xiàn)方案

整個系統(tǒng)包括發(fā)射端和接收端兩個部分，采用雙工形式，即使用單塊硬件平臺同時實現(xiàn)收發(fā)通信的基帶功能。圖3為總體硬件設(shè)計圖，F(xiàn)PGA選用Altera公司的EP3C120F484。數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片選用12位D/A轉(zhuǎn)換器AD9773，工作刷新率為 60 MSample/s。 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用10位A/D轉(zhuǎn)換器AD9216，工作采樣率90 MSample/s，這兩個芯片具有高動態(tài)信號輸入的特點。正交下變頻解調(diào)器選用AD8348，中頻本振為Si-4133，工作頻率280 MHz，參考本振10 MHz。信息發(fā)送接口為MAX3485串口芯片，可以實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)與傳輸系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)差分接口。

圖3 總體硬件設(shè)計圖

4.2 軟件實現(xiàn)方案

該寬帶圖像無線傳輸系統(tǒng)碼片速率為2.5 MHz，最大信息傳輸速率為2 Mbit/s，調(diào)制方式為OQPSK，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 無線傳輸系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)

該幀結(jié)構(gòu)可分為前后兩個部分。前半部分是前導(dǎo)頭PRE，用于幀同步、載波同步、相位同步、定時同步以及頻域均衡。前導(dǎo)頭的主要組成有：

AGC：用于接收機增益穩(wěn)定。

PN1、PN2：225位PN序列，用于系統(tǒng)同步和頻域均衡。

G：PN序列的循環(huán)前綴，用于保護PN序列，取32或64chip。

幀結(jié)構(gòu)的后半部分是數(shù)據(jù)塊，時隙間隔為8～10 ms。其中的DATA為256～512位數(shù)據(jù)，GD為32位數(shù)據(jù)保護塊。

該無線傳輸系統(tǒng)的發(fā)射機結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 無線傳輸系統(tǒng)的發(fā)射機結(jié)構(gòu)框圖

圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過前向糾錯后，加入循環(huán)前綴，并與存貯在ROM中的前導(dǎo)頭組成信號幀，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后發(fā)射出去。

接收機的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 無線傳輸系統(tǒng)的接收機結(jié)構(gòu)框圖

接收信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波后分為2路，一路為前導(dǎo)頭序列，與本地PN序列進行相關(guān)運算后在CE模塊得到信道估計值，經(jīng)FFT模塊轉(zhuǎn)換到頻域；一路為數(shù)據(jù)塊，經(jīng)FFT模塊后在頻域進行均衡處理，再經(jīng)IFFT模塊轉(zhuǎn)換到時域，經(jīng)判決后輸出。

5 測試結(jié)果

仿真測試工具采用QuartusⅡ9.0軟件自帶的在線邏輯分析儀通過Signal Tap II界面圖形顯示這些數(shù)字信號。它根據(jù)設(shè)計者設(shè)定的時鐘采樣，采用FPGA內(nèi)部存儲單元，存儲指定管腳和內(nèi)部信號，通過Signal Tap II界面圖形顯示這些數(shù)字信號，以便于調(diào)試程序者，從而極大簡化了FPGA的程序設(shè)計過程。

5.1 信道估計仿真分析結(jié)果

圖7為信道估計單元在線測試圖。圖中：信號1為接收端經(jīng)AD采樣后，前導(dǎo)序列i路的時域波形；信號2為接收端經(jīng)AD采樣后，前導(dǎo)序列q路的時域波形；信號3為經(jīng)過PN碼并行相關(guān)運算的相關(guān)值；信號4為重構(gòu)的信道估計數(shù)據(jù)實部；信號5為重構(gòu)的信道估計數(shù)據(jù)虛部。

從圖7中可以看出接收信號受到多徑影響，存在一定的碼間干擾，波形失真較為嚴重。另外由于采用并行相關(guān)運算，相關(guān)峰值在前導(dǎo)序列結(jié)束后很短時間內(nèi)出現(xiàn)，處理時延僅為1.8 μs。

5.2 信道均衡仿真分析結(jié)果

圖8為信道均衡單元在線測試圖。圖中：信號1為信道估計值的頻域特性；信號2為接收信息數(shù)據(jù)的頻域輸出值實部；信號3為接收信息數(shù)據(jù)的頻域輸出值虛部；信號4為均衡后經(jīng)解調(diào)輸出的基帶數(shù)據(jù)I路；信號5為均衡后經(jīng)解調(diào)輸出的基帶數(shù)據(jù)Q路。

圖7 信道估計單元在線測試圖(截圖)

圖8 信道均衡單元在線測試圖(截圖)

從圖中可以看出，接收信號受到多徑影響，頻域特性出現(xiàn)明顯的衰落。經(jīng)過均衡并解調(diào)后輸出數(shù)據(jù)已經(jīng)無明顯的碼間干擾，能夠保證正常接收。

5.3 時頻分析儀測試結(jié)果

使用時頻分析儀測試均衡后經(jīng)上變頻的端口處輸出，如圖9所示，可以看出星座點清晰，達到了可以進行硬判決的程度，也就證明本文中設(shè)計的信道估計和信道均衡模塊在實際接收機中工作正常，達到了預(yù)期的目的。

圖9 接收端輸出數(shù)據(jù)實測星座圖與功率譜測試圖(截圖)

6 小結(jié)

本文利用FPGA實現(xiàn)了一種基于改進的m序列信道估計與均衡算法，并將其成功運用到復(fù)雜環(huán)境下寬帶圖像的無線傳輸，通過在線邏輯分析及時頻分析儀實測，信道估計與均衡模塊在接收機中工作較為穩(wěn)定，且性能優(yōu)異。

[1] WALZMAN T， SCHWARTZ M. Automatic equalization using the discrete frequency domain[J]. IEEE Trans. Information Theory，1973，19(1)：59-68.

[2] FERRARA E R， Jr. Frequency-domain adaptive filtering[M]. COWAN C F N，GRANT P M， ed. [S.l.]：Prentice-Hall， 1985.

[3] SARI H， KARAM G，JEANCLAUDE I. Channel equalization and carrier synchronization in OFDM systems[C]//Proc. Int. Tirrenia Workshop in Digital Communications.[S.l.]：IEEE Press，1993：191-202.

[4] SARI H， KARAM G，JEANCLAUD I. Frequency-domain equalization of mobile radio and terrestrial broadcast channels[C]//Proc. Globecom San Francisco. [S.l.]：IEEE Press，1994：1-5.

[5] SARI H， KARAM G，JEANCLAUDE I. Transmission techniques for digital terrestrial TV broadcasting[J].IEEE Comm.， 1995， 22(2)：100-109.

[6] 李彥兢.高速率無線通信系統(tǒng)中均衡技術(shù)的研究[D].上海：同濟大學(xué)，2007.

[7] CHOI E-R， CHOI Jinyong， JANG Jungyup， et al. MMSE equalization with interference cancellation for SC-FDE over single frequency network channel[C]//Proc. 2011 IEEE International Conference on Consumer Electronics (ICCE). [S.l.]：IEEE Press， 2011：457-458.

[8] FILGER A，ZEPERNICK H-J.偽隨機信號處理——理論與應(yīng)用[M]. 甘良才，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[9] 曾興雯，劉乃安，孫獻策.擴展頻譜通信及其多址技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

責任編輯：閆雯雯

FPGA Realization of Channel Estimation and Equalization Algorithm Based on Self-correlation of Sequence

DING Yongqiang1,2，MA Linhua1，RU Le1，SUN Kangning1，ZHOU Huiling3

(1. College of Aeronautics and Astronautics Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China; 2. The First Aeronautics College of Air Force, Henan Xinyang 464000, China; 3. No.95746 Unit of PLA, Chengdu 611531, China)

In view of the shortcomings that the traditional single carrier frequency domain equalization algorithm is easily affected by channel random noisy, using the self-correlation of sequence to estimate the channel has effectively solve the problem of random noisy on channel equalization. Considering the engineering practice, on the basis of the channel estimation algorithm mentioned above, some adaptive improvement has been placed to the realization of frequency domain equalization, and the EP3C120F484 from Altera has been chosen as the FPGA platform to achieve the algorithm. Besides, the application scheme on FPGA has been designed. It has been proved by practical test that the algorithm can adapt to the complicated channel which is interference seriously by multipath propagation and noisy.

channel estimation; frequency domain equalization; self-correlation; FPGA

航空科學(xué)基金項目(20130596008)

TN492

A

10.16280/j.videoe.2015.20.005

丁永強(1981— )，碩士生，主要研究方向為信號處理、信道均衡；

馬林華(1965— )，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為抗干擾通信、編碼理論、無線組網(wǎng)通信；

茹 樂(1975— )，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為抗干擾通信、專用集成電路；

孫康寧(1991— )，碩士生，主要研究方向為信道編碼、專用集成電路。

2015-06-08

【本文獻信息】丁永強，馬林華，茹樂，等.基于序列自相關(guān)的信道估計與均衡算法FPGA實現(xiàn)[J].電視技術(shù),2015，39(20).